晶界與孿晶界面對于金屬材料的強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)與抗疲勞損傷開裂能力的提高具有重要影響。通常在單向拉伸載荷下，晶界普遍可以作為強(qiáng)化元素提高材料的強(qiáng)度，而在循環(huán)載荷下，晶界卻容易成為薄弱環(huán)節(jié)而優(yōu)先萌生疲勞裂紋。金屬所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室材料疲勞與斷裂研究部張哲峰研究組前期開展了一系列含有大、小角晶界銅雙晶體的低周疲勞實(shí)驗(yàn)。他們發(fā)現(xiàn)：無論加載方向與晶界的夾角如何，大角晶界總是優(yōu)先開裂，而小角晶界則不疲勞開裂。這一系列工作發(fā)表在Progress in Materials Science, 53 (2008) 1025上。考慮到孿晶界面對金屬材料強(qiáng)韌化具有重要影響，為此，該研究組張振軍博士通過各種銅合金多晶體中孿晶界面低周疲勞實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：孿晶界疲勞開裂傾向介于大角晶界和小角晶界之間，并且受到層錯能和晶粒取向影響。通過晶體學(xué)取向分析，他提出了決定孿晶界面疲勞開裂與否的層錯能與取向差判據(jù)，即隨層錯能降低或?qū)\晶界兩側(cè)施密特因子差增加，位錯滑移跨過孿晶界的機(jī)會減小，致使得孿晶界更易于萌生疲勞裂紋。這項(xiàng)工作發(fā)表在Acta Materialia, 60 (2012) 3113和Applied Physics Letters, 101 (2012) 011907上。
為了進(jìn)一步揭示各種共格與非共格孿晶界面本征疲勞開裂機(jī)制，最近該研究組李琳琳博士設(shè)計(jì)并制備了一系列含有共格與非共格孿晶界面的銅雙晶樣品，旨在進(jìn)一步揭示孿晶界面與加載軸夾角對其疲勞開裂機(jī)制的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：共格孿晶界與加載軸的夾角對其疲勞開裂行為具有決定性作用：當(dāng)孿晶界面與應(yīng)力軸夾角約在45 25度時（約為20至70度），滑移帶集中在孿晶界附近，而使疲勞裂紋沿孿晶界面優(yōu)先萌生與擴(kuò)展，如圖1所示；而當(dāng)孿晶界面近似平行或垂直于與加載軸時，孿晶界附近的滑移帶或完全穿過孿晶界（平行時），或因硬取向的緣故在孿晶界附近受限（垂直時），從而使得孿晶界相對滑移帶更難于萌生疲勞裂紋。不同傾角孿晶界的疲勞開裂行為，如圖2所示。而對于非共格孿晶界，當(dāng)力軸傾斜于孿晶界面加載時，孿晶界不開裂而滑移帶開裂，滑移開裂形貌及位錯組態(tài)，如圖3所示。這是因?yàn)樵谘h(huán)加載時，由于非共格孿晶界兩側(cè)晶粒特殊的晶體學(xué)取向關(guān)系，一方面滑移帶可以穿過孿晶界，而另一方面孿晶界本身在位錯作用下也可以發(fā)生遷移，從而減緩了因位錯撞擊而造成的損傷，因而表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗疲勞開裂性能，機(jī)理總結(jié)如圖4所示。上述研究結(jié)果發(fā)表在Acta Materialia, 61 (2013) 425、Scientific Reports, 4 (2014) 3744、Nature Communications, 5 (2014) 3536和Acta Materialia, 2014上。
以上關(guān)于各種界面疲勞開裂行為的研究結(jié)果表明，界面在變形過程中與滑移帶的交互作用方式可以歸結(jié)為兩類：撞擊型和剪切型。對于撞擊型作用，界面是否開裂取決于位錯被塞積的程度，界面處位錯塞積越嚴(yán)重，界面越弱，反之亦然。撞擊型界面包括大角晶界、小角晶界、多晶體中孿晶界以及與力軸成0度和90度的雙晶孿晶界。而對于剪切型作用，應(yīng)變集中則成為了界面的主要損傷機(jī)制，上述傾斜孿晶界面容易產(chǎn)生應(yīng)變集中，因而更容易發(fā)生疲勞開裂。因此，與普通大角晶界總是容易萌生疲勞裂紋相比，孿晶界面疲勞開裂與否具有明顯的可控性，它取決于與應(yīng)力軸交角、層錯能以及兩側(cè)滑移帶之間的取向差，這為通過設(shè)計(jì)和控制孿晶界面來強(qiáng)韌化金屬材料和提高其抗疲勞開裂阻力提供了可能。
上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金和金屬所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)向項(xiàng)目的資助。
圖1 與加載軸不同夾角的孿晶界面的疲勞開裂形貌及其附近的位錯組態(tài)（a、b）45度；（c、d）30度；（e、f）60度。
圖2 孿晶界與應(yīng)力軸呈不同傾角時雙晶孿晶界面的疲勞開裂行為：孿晶界與應(yīng)力軸夾角在45度上下時發(fā)生孿晶界開裂，而在0度和90度附近時發(fā)生滑移帶開裂。
圖3 傾斜非共格孿晶界面的疲勞開裂形貌（a、b）及位錯組態(tài)（c、d）。
圖4 非共格孿晶界的高分辨率像（a）及兩種塑性變形機(jī)制示意：（b）位錯貫穿機(jī)制；（c）非共格孿晶界遷移機(jī)制。
